氮化镓（GaN）作为一种一维纳米结构，因其优异的光电性能、高电子迁移率和优良的热稳定性，已成为材料科学和纳米技术领域的研究热点。特别是其在半导体器件中的应用，涵盖了场效应晶体管、发光二极管、紫外光探测器、纳米激光器等重要领域，展现了巨大的潜力。
当前，研究人员已通过多种合成方法成功制备了不同形态的GaN一维纳米结构，其中化学气相沉积（CVD）技术和模板法利用催化剂介导作用，结合碳纳米管和多孔氧化铝等支撑材料，成为合成GaN纳米结构的重要手段。
我们采用了简单的催化CVD方法，成功制备了具有太阳形状的高质量单晶GaN纳米线。这些纳米线的直径范围为15到100纳米，长度可达到数百微米。此研究首次实现了纯立方结构GaN纳米线的合成，为开发具有优异物理性能的GaN纳米器件提供了新的可能性，也为纳米电子学和光电子学的进一步发展铺平了道路。
实验中，我们将1毫升CrCl3·6H2O的乙醇溶液与0.01克铁粉混合，超声搅拌15分钟，得到铬铁溶液作为催化剂。接着，将硅（111）衬底经过去离子水、丙酮和无水乙醇清洗后，涂上铬铁溶液，并在80°C的空气中干燥。硅衬底随后被放入含有高纯度Ga粉末的石英船中，Ga源与衬底的距离保持在10到50毫米之间。
在真空环境下，通过氮气气流带动反应，逐步加热至900°C，并保持200sccm的氨气流动90分钟。此过程结束后，反应器通过氮气冷却至室温，最终GaN纳米线沉积在硅表面。通过扫描电子显微镜（SEM）和微分析系统，我们对产物的尺寸、形态及化学成分进行了详细表征。进一步利用透射电子显微镜（TEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）对材料的晶体结构进行了深入分析。
通过电子衍射（SAED）分析，我们能够准确确定GaN纳米线的晶体结构。光学性能则通过光致发光（PL）测量进行评估，揭示了纳米线的优异光学特性。实验结果显示，当生长环境中氮气浓度较高时，得到的是大量直立的太阳形状GaN纳米线，直径约为20至30纳米，长度为几十微米，纳米线的表面光滑均匀。当反应环境中镓源浓度较高时，所生成的纳米线则呈现弯曲形态，且直径不均匀，范围从20纳米到100纳米不等。
为了进一步确认这些纳米线的组成，我们使用能量色散X射线光谱（EDS）技术，结果显示在太阳形状GaN纳米线的中心主要包含镓、氮、铁、镉和少量氧。
在透射电子显微镜（TEM）的观察下，我们发现直立的GaN纳米线在HRTEM图像中显示出清晰的晶格条纹，且晶格间距为0.276纳米，对应于六角GaN的{101̄0}晶格面。这表明这些纳米线沿[101̄0]方向生长，是纯净的单晶体。相应的SAED图案也验证了这一点，表明这些纳米线为六角GaN单晶。
对于弯曲的GaN纳米线样品，其HRTEM和SAED分析结果显示，这些纳米线同样是单晶体结构，且其晶体结构为立方相GaN。弯曲部分的纳米线直径可达100纳米，长度数百微米，且存在明显的堆垛缺陷，这为我们理解GaN纳米线的生长机制提供了重要线索。
在光致发光（PL）测量中，我们观察到两种不同形态GaN纳米线的发光特性。直立太阳形状的GaN纳米线在370纳米处展示出强烈的紫外光发射，波长对应能量为3.35电子伏特，表明其具有优异的光学特性。弯曲GaN纳米线在369纳米附近也表现出较弱的紫外发射，并在400纳米处有一个宽的发射峰，显示出锌黄铜相GaN的特性。
一维纳米结构的常见生长机制是蒸汽-液体-固体（VLS）机制，其特征是在纳米线顶端形成催化剂纳米颗粒。我们的实验中也观察到了类似现象，结合SEM、EDS、HRTEM和SAED等分析，我们推测GaN纳米线的生长过程符合VLS机制。在该过程中，铬铁合金形成的金属滴在适当的温度下作为成核点，镓和氮的蒸气溶解在金属液滴中，形成合金液滴。随着GaN浓度的增加，合金液滴达到饱和，成为GaN纳米线的生长起点。
值得注意的是，GaN纳米线的“支架”效应在生长过程中起到了关键作用，这些成核点并非随机分布，而是在支架表面，这可能是导致GaN纳米线形态特殊、质量优异的原因之一。
我们提出一种假设，认为GaN纳米线现的堆垛缺陷可能对GaN的生长能量产生了影响，从而形成了亚稳态的立方相GaN结构。这一过程可能为GaN纳米线的形貌控制及其在电子光学器件中的应用提供了新的思路。
通过CVD方法和VLS机制，我们成功制备了直立和弯曲的太阳形状GaN纳米线。直立的GaN纳米线具有约20纳米的直径，结构均匀、质量优良，呈现六角GaN晶体结构；而弯曲的GaN纳米线则展现出纯净的立方GaN结构，直径可达100纳米，长度可达数百微米，且存在堆垛缺陷。光致发光谱分析表明，这些纳米线在370纳米和400纳米处具有显著的紫外发射峰，显示出其在光电子和电子器件中具有广泛的应用前景。